2。2。1 CCD 的基本特性介绍

CCD（Charge Coupled Devices）中文名称为电荷耦合器件 10-11，具有响应光谱 宽、响应灵敏、集成度高、成本低、维护便捷等特点，是一种常用的图像传感器。一

般可以将 CCD 分为两种：线阵 CCD 和面阵 CCD。线阵 CCD 一般拥有一行 500 到 10000 个感光点，而面阵 CCD 则拥有 500*500 到 20000*20000 个感光点，每一个感光点都可 以独立地测量该位置的响应光谱内的光强，并以模拟量的方式输出。目前市场上的 CCD 主要来自索尼、东芝、e2V 和柯达等公司，以东芝的产品为例，其线阵 CCD 最高 像素可以做到 42720pix（TCD2964BFG），工作频率最高可达 120MHz（TCD2712DG）。

CCD 一般应用于扫描仪、传真机、光谱仪等应用中 12，而本文旨在利用 CCD 的特 殊性能来实现沉降（细微的位移）的监测。

2。2。2 半导体激光器的特性与应用

由于 CCD 的高感光性，所以本设计中需要使用到的激光并不需要很大的功率，因 此选用常用的高性价比的半导体激光器就可以了。半导体激光器又叫做半导体激光二 极管，简称激光二极管（Laser Diode，LD），其利用半导体材料本身的电子运动特 性和其物质结构的特殊性质，采用注入电流的方式激励，以产生激光束。

半导体激光器的波长范围一般为 300nm 到 20um，能够很好地满足本设计中对激光 波长的要求。半导体激光器具有体积小巧、使用寿命长、能量转换效率高、功率较小 等特点，在工程控制领域中应用广泛。

第三章 芯片选型与电路设计

3。1 处理器选型

为了能够准确读取 CCD 的高速输出数据并进行实时地、合理地计算，设计中需要 能够合理地选择处理器。为了方便数据处理、显示以及多机通信，本设计中选用目前 市场上性价比较高的 STM32 系列 MCU 作为处理芯片，完成 CCD 数据处理、LCD 显示、 串口通信、按键/LED 等功能。但是由于 MCU 的 IO 速度普遍较慢，即使是 STM32 这种 ARM Cortex-M 系列的高性能 MCU 也难以做到高速采集 CCD 的输出数据，为了能够完 整地采样 CCD 的输出数据，设计中需要在 CCD 和 MCU 之间加上 FIFO 作为数据缓冲器。

此外，CCD 以及采样 CCD 数据的 ADC 都需要高速的驱动时序才能使其正常工作， 显然 MCU 也难以胜任这样的工作。为了解决驱动时序问题以及数据缓冲问题，设计中 采用了 FPGA 来完成这两项工作。

3。1。1 STM32 选型

STM32 是意法半导体公司（STMicroelectronics）推出的基于 ARM Cortex-M 架构 的 32 位 MCU，以高性能、低功耗和高性价比著称。本设计中采用的具体芯片型号是

STM32F103RCT6 13，其具有 256KB Flash 和 64Kbytes 的 SRAM 和 80 个数字 IO 口，足 以满足设计中装载程序和数据的需要。

STM32F103RCT6 采用 32 位的 ARM Cortex-M3 CPU， 拥有高达 72MHz 的主频和 1。25DMIPS/MHz 的卓越性能，可以满足本设计中 MCU 从 FIFO 中读数据时，需要高速 连续进入外部中断的需求。

3。1。2 FPGA 选型

FPGA 选用的是 Altera 公司的 Cyclone IV E 系列，该系列的芯片以低成本、低功 耗且高性能著称。具体的芯片型号为 EP4CE10 14，其拥有多达 10320 逻辑单元（Logic

elements，LEs）和 414Kbits 嵌入式内存（Embedded memory），可以满足设计中基 本驱动时序设计以及 FIFO 设计的要求。可以说，这个芯片的性能可能已经超过了当 前设计的要求，但是出于 FPGA 编程的特殊性和今后项目的升级方便等因素考虑，为 其预留出部分的芯片性能还是很有必要的。文献综述

3。2 其他芯片选型

由于 CCD 需要在较高的频率下工作，对应的，也需要较高的采样速度来准确的采 样 CCD 输出数据。虽然 STM32F103RCT6 已经集成了 ADC 功能，但是由于其采样速度和 转换速度较慢，所以并不能满足设计的基本要求，因此需要选用一个高速的 ADC 来完 成 CCD 输出数据的采集工作。